R32熱泵型變頻空調性能與能效的試驗研究

張 云，謝培欽，陳孚江，陳海飛

（1.江蘇新科電器有限公司，江蘇常州 213176；2.常州大學，江蘇常州 213016）

0 引言

變頻空調器因其高效節能已經成為家用空調器市場的主導產品［1］。同時R32具有較低的GWP值和較弱的可燃性，相比于R410A和R22有較大的制冷量和較高的能效比，因此已成為了替代R410A和R22的環保制冷劑［2-3］。邵雙全等［4］試驗驗證了變頻空調系統在變化工況下采用電子膨脹閥的性能比采用毛細管的高，且更加節能。虞中旸等［5］試驗分析了以R32為制冷劑在低頻率下電子膨脹閥調節對系統性能的影響。

國家新頒布的GB/T 21455—2019《房間空氣調節器能效限定值及能效等級》［6］，以全年能源消耗率（APF）為能效等級標準，將其原有的能效等級提高了一個檔次。張立智等［7］提出了提升熱泵型變頻空調器APF的有效技術途徑包括：合理設計換熱器流程流路、增加換熱面積、采用小管徑換熱器、合理的室內外機風量，以及優化壓縮機頻率等。沈佳敏等［8］將國家標準中復雜的APF隱式定義轉化為簡單的APF顯式計算公式，依據標準規定和空調器結構參數的限制得到優化的約束方程來獲取APF的最大值。

本文通過試驗平臺和相關試驗監控軟件來調節電子膨脹閥的開度、內外風機轉速以及優化壓縮機頻率等研究電子膨脹閥的開度對系統性能影響，并通過正交試驗的方法獲取最優的APF。

1 試驗方案

1.1 試驗方法

試驗樣機選用新科KFRd-72LW-BpNYC+1圓筒柜機（一級能效機），其配置美芝KTM240D43UMT壓縮機。依據GB/T 21455—2019（下文簡稱新國標），APF調至≥4.2，且按公司內部標準要求調試，階段各單點實測能力須大于銘牌標定額定能力的98%。由于較低頻率下的電子膨脹閥可調范圍較小，為了提高壓縮機低頻運轉時電子膨脹閥的調節精度，節流組件采用電子膨脹閥外加輔助毛細管［9-10］。

1.2 試驗室裝置

新科10匹防爆試驗室，由合肥通用機械研究院有限公司監制，試驗條件符合GB/T 7725—2004的要求，焓差室系統如圖1所示。

圖1 焓差試驗室原理Fig.1 Schematic diagram of enthalpy difference laboratory

1.3 試驗條件

依據GB/T 21455—2019，當轉速可控型房間空調器的額定制冷實測能力大于7 100 W時，采用t點法；計算過程中需要分別測量額定制冷、額定中間制冷、25%額定制冷、（可選擇試驗：低溫額定制冷、低溫額定中間制冷、低溫25%額定制冷），額定制熱、額定中間制熱、25%額定制熱以及額定低溫制熱等7個（或10個）工況下的制冷量（制熱量）及消耗功率來計算APF的值。

2 試驗結果與分析

對于熱泵空調系統理論循環中壓縮機的功率、換熱量、排氣溫度計算如下［11］。

壓縮機的實際輸入電功率：

制冷量：

制熱量：

排氣溫度：

式中 qm——制冷劑質量流量，kg/s；

k——壓縮機等熵指數；

Ps，Pd——壓縮機吸、排氣壓力，Pa；

v1——吸氣比容，m3/kg；

η——壓縮機指示效率；

h1，h2——壓縮機吸、排氣口焓值，kJ/kg；

h4，h5——節流前、后焓值，kJ/kg；

Ts，Td——壓縮機吸、排氣溫度，℃。

2.1 額定制冷工況下電子膨脹閥的開度對系統性能的影響

在額定制冷試驗工況下，壓縮機的給定頻率和內、外機風機電機轉速不變時，研究電子膨脹閥的開度對機組系統性能系數的影響。

如圖2所示，隨著電子膨脹閥開度逐漸增大，額定制冷量和額定功率呈現先增后減再升高的現象，而額定制冷系數EER先降低再升高，后又下降出現最高點，但總體變化幅度不大。系統的排氣溫度逐漸降低，冷凝器出口溫度逐漸上升，這是因為閥體的開度增大，導致系統中制冷劑的流量增加占主導地位，系統中的制冷量和功率都逐漸增大；隨著閥體開度的逐漸增大，系統中冷凝壓力降低，蒸發壓力升高，蒸發器的換熱溫度差降低，此時系統的壓縮比降低占主導地位，系統的功率和制冷量都有所下降，功率的下降幅度高于制冷量的下降幅度，所以EER升高。但閥體步伐開到一定程度后系統中的制冷劑流量逐漸增大，導致功率和制冷量再度上升，功率的上升幅度大于額定制冷量的上升幅度，系統的EER再次出現下降趨勢。

圖2 額定制冷工況下電子膨脹閥開度對系統性能的影響Fig.2 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated refrigeration conditions

2.2 額定中間制冷工況下電子膨脹閥開度對系統性能的影響

在額定制冷試驗工況下，壓縮機保持最優的低頻率，內、外機電機轉速不變，調節電子膨脹的開度。

如圖3所示，隨著電子膨脹閥開度在一定范圍內逐漸增大，額定中間制冷量逐漸下降，額定中間功率都是先逐漸減少再有所回升，系統中冷凝器出口的溫度幾乎不變，排氣溫度逐漸降低。此時系統的壓縮比下降占主導地位，蒸發器和冷凝器中的制冷劑液體含量較多，蒸發器和冷凝器的換熱效率較低，系統的壓縮下降占主導地位，所以額定中間消耗功率和額定中間制冷量都有所下降，系統中額定中間制冷系數EERhaf變化較小，總體趨勢下降。

圖3 額定中間制冷工況下電子膨脹閥開度對系統性能的影響Fig.3 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated intermediate refrigeration conditions

2.3 額定制熱工況下電子膨脹閥開度對系統性能的影響

在額定制熱試驗工況下，壓縮機處于最優頻率且內、外機電機轉速不變時，調節電子膨脹的開度。

如圖4所示，隨著電子膨脹開度逐漸增大，額定制熱量和額定功率逐漸下降，系統的排氣溫度逐漸降低，蒸發器出口溫度逐漸上升。此時系統的壓縮比下降占主導地位，系統的功率和制熱量都有所下降，但制熱額定功率下降幅度較大，所以系統中額定制熱系數COP逐漸升高。隨著電子膨脹閥的開度再次增加，額定制熱量下降幅度增大，系統的COP將有所降低。

圖4 額定制熱工況下電子膨脹閥開度對系統性能的影響Fig.4 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated heating condition

2.4 額定中間制熱工況下電子膨脹閥開度對系統性能的影響

如圖5所示，在額定制熱工況下，壓縮機處于低頻率且內外機電機轉速不變時，隨著電子膨脹開度逐漸增大，額定中間制熱量和額定中間功率逐漸下降，系統的排氣溫度逐漸降低，蒸發器出口溫度逐漸上升，這是因為系統的壓縮比下降占主導地位。在此過程中制熱額定功率下降幅度較大，系統中額定中間制熱系數COPhat總體升高。

圖5 額定制熱工況下電子膨脹閥開度對系統性能的影響Fig.5 The influence of electronic expansion valve opening on system performance under rated intermediate heating condition

3 各試驗工況下單點實測值對系統APF的影響

通過正交計算各組試驗數據得出最高的制冷季節能源消耗率SEER、制熱季節能源消耗率HSPF以及全年能源消耗率APF，且各試驗工況下均有最優電子膨脹閥開度，見表1，其中CD系數默認0.25。

表1 計算最優的SEER，HSPF以及APF值Tab.1 The calculated optimal SEER，HSPF and APF values

3.1 額定制冷工況下制冷量和消耗功率對系統APF的影響

由于機組是變頻熱泵型，各試驗工況下調試的參數點相互獨立不受影響，改變室外風機轉速來增加或降低系統的制冷量和耗功率，測得數據并計算得到APF值，見表2，3。從表2，3可看出，在額定制冷工況下，其它工況下單點實測最優值不變，額定制冷工況下，保持額定制冷和額定中間制冷相應的最優的頻率和膨脹閥開度不變，降低室外風機轉速，實測到相同的EER時，額定制冷量降低31.6 W，降低率0.44%，額定消耗功率減少9.2 W，減少率0.5%，此時APF升高0.01，所以在保證單點能力滿足設計需求時，相同的EER下，應選擇功率和換熱量較小的那組數據，其APF為最優；同時也表明，在額定制冷工況下，額定制冷消耗功率對APF的影響較大。對于額定中間制冷工況，在相同的EERhaf和SEER下，應選取最大的額定中間制冷量來保滿足性能參數的設計要求。

表2 額定制冷工況下改變室外機風機轉速所得APF值Tab.2 The APF values obtained by changing the fan speed of the outdoor unit under the rated refrigeration experiment

表3 額定中間制冷工況下改變室外機風機轉速所得APF值Tab.3 The APF values obtained by changing fan speed of outdoor unit under rated intermediate refrigeration experiment

3.2 額定制熱工況下制熱量和消耗功率對系統APF的影響

在其它工況下單點實測最優值不變，額定制熱工況下，內、外機風機轉速不變，改變壓縮機運轉頻率和電子膨脹閥開度，在滿足單點制熱能力的情況下，實測到不同COP和相同的APF，見表4。

表4 不同壓縮機頻率和電子膨脹閥開度下的APF值Tab.4 The APF values obtained from compressor frequency and effect of electronic expansion valve adjustment

由表中數據可見，COP值最高時系統APF值并非是最優，第3組額定制熱量相對于第2組額定制熱量增加了265.4 W，提升了2.92%；額定制熱消耗功率增加了134.7 W，提高了5.1%，雖然3組數據所計算出的APF值相同，但是第3組數據所計算出HSPF值最高，所以在調試額定制熱試驗時，應盡量提高系統的額定制熱量，才能得出更高APF值。

3.3 實測低溫額定制冷試驗對系統APF的影響

在保持表1中最優數據不變，系統在最優額定制冷、中間制冷、25%額定制冷狀態下，實測低溫額定制冷量和消耗功率等性能參數來計算APF值，見表5。從表5可見，實測數據并計算得到的APF值比表1中最優APF值高0.2。

表5 實測低溫制冷所得APF值Tab.5 The APF values calculated by the measured low-temperature cooling experiment

4 結論

（1）在試驗工況穩定情況下，增加電子膨脹閥的開度，系統的額定制冷量有所提高，但額定中間制冷量、額定制熱量、額定中間制熱量都下降；對系統的EER和COP影響較小，對系統的EERhaf和COPhaf影響較大。

（2）額定制冷工況下，額定制冷消耗功率相對于額定制冷量對APF的影響較大，相同的EER下，應選擇額定消耗功率較小的數據時，其APF值為最優。對于額定中間制冷，在相同EERhaf和SEER下，應選取最大的額定中間制冷量來保證系統在該狀態點下有足夠的制冷量。

（3）在額定制熱時，系統的COP最高對應的APF值并非最大值。在調試額定制熱試驗時，應盡量提高系統的額定制熱量，這樣才能得到最優APF值。

（4）在實測最小制冷和最小制熱滿足單點能力要求的情況下，應選取最大的制冷系數和制熱系數來計算相應的APF值。同時實測低溫制冷試驗所得各性能參數有助于APF值的提高。